Открытие Черных дыр
Оппенгеймер навсегда, к лучшему или к худшему, будет ассоциироваться с невероятной разрушительной силой атомной бомбы и образом грибовидного облака, почти библейского символа разрушения.
Но прежде чем отправиться в Лос-Аламос (штат Нью-Мексико), в 1942 году, чтобы внести свой вклад в разработку атомной бомбы, Оппенгеймер был физиком-теоретиком, специализирующимся на квантовой физике.
В 1939 году он и его коллега из Калифорнийского университета в Беркли Хартланд Свит Снайдер опубликовали новаторскую статью под названием "О непрерывном гравитационном сжатии", в которой использовались уравнения общей теории относительности Альберта Эйнштейна, чтобы показать, как могут рождаться черные дыры.
Оппенгеймер предложил самую первую модель коллапса, чтобы описать, как звезда может коллапсировать в черную дыру. Эта модель объясняет образование черных дыр как динамический астрофизический процесс, заключительный этап эволюции достаточно тяжелых звезд. Эта модель используется до сих пор.
Эта модель очень важна, потому что она поддается аналитическому решению — уравнения можно решить с помощью ручки и бумаги и не требует работы с огромным количество чисел.
По иронии судьбы, пока Оппенгеймер и Снайдер работали над статьей, которая так сильно зависела от общей теории относительности 1915 года, отец этой теории Эйнштейн сам завершал исследования, направленные на то, чтобы показать, что черные дыры не могут существовать.
История, конечно же, показала бы, что Оппенгеймер был прав насчет черных дыр.
За восемь лет до теории Оппенгеймера о коллапсе звезд и рождении черных дыр другой физик-теоретик думал о том, что происходит, когда у звезд заканчивается топливо для ядерного синтеза.
Когда это топливо истощается, звезда больше не может противостоять гравитационному коллапсу. В то время как внешние слои звезды сбрасываются, ее ядро быстро сжимается, оставляя после себя экзотический звездный остаток. Природа остатка зависит от массы звездного ядра.
Индийско-американский физик Субрахманьян Чандрасекар понял, что для звездных ядер с массой менее чем в 1,4 раза больше массы Солнца, гравитационный коллапс остановится из-за квантовых эффектов, которые не позволяют частицам "сжиматься" до бесконечночти.
Это стало известно как предел Чандрасекара, и любая звезда ниже него — если у нее нет звездного компаньона, питающего ее материалом — обречена закончить свое существование в виде тлеющего звездного остатка, называемого белым карликом. Такой будет судьба нашего Солнца, после того как оно израсходует водород в своем ядре примерно через 5 миллиардов лет.
Для звездных ядер, по крайней мере, в 1,4 раза более массивных, чем Солнце, существует достаточно давления и, следовательно, тепла, выделяемого во время гравитационного коллапса, чтобы можно было вызвать дальнейшие вспышки ядерного синтеза, при этом гелий, созданный в результате синтеза самого водорода, создает более тяжелые элементы, такие как азот, кислород и углерод.
Самые массивные звезды претерпевают серию таких коллапсов и вспышек ядерного синтеза. Но Оппенгеймер и его ученики хотели знать, куда ведет этот путь гравитационного коллапса и, таким образом, каково окончательное состояние крупнейших звезд Вселенной.
Этот ответ уже был дан немецким физиком в 1916 году. Оппенгеймеру оставалось только выяснить, как его получить.
В 1915 году, во время службы на фронте в немецкой армии во время Первой мировой войны, астроном Карл Шварцшильд заполучил копию общей теории относительности Эйнштейна. Поразительно и к шоку Эйнштейна, в этих невероятно суровых условиях Шварцшильду удалось вычислить точное математическое решение уравнений общей теории относительности.
В этих решениях скрывались две тревожные вещи — места, известные как "сингулярности", где физика, какой мы ее знаем, полностью ломается. Эти сингулярности указывали на существование объектов с настолько сильной гравитацией, что они могли поглощать свет.
Одна из сингулярнотей была признана координатной сингулярностью, которую можно было устранить с помощью небольшой хитроумной математической манипуляции. Эта координатная сингулярность стала известна как радиус Шварцшильда — точка, в которой гравитация тела становится настолько большой, что скорость, необходимая для того, чтобы вырваться из его тисков, превышает скорость света.
Эта односторонняя поверхность, улавливающая свет, называется "горизонтом событий" и представляет собой внешнюю границу черной дыры.
Другая сингулярность, истинная или гравитационная сингулярность, не поддается математическому анализу. Ничто не могло ее удалить, поэтому она была и остается точкой, в которой физика полностью ломается, — сердцем черной дыры.
Это было теоретическое рождение концепции черных дыр, но ничего не говорило о создании этих космических титанов — только о том, что они могут существовать.
Пока Эйнштейн в 1939 году трудился над уничтожением этой гравитационной сингулярности и, следовательно, концепции черной дыры, Оппенгеймер вникал в то, как такие объекты могут существовать.
Работая с простыми предположениями, которые пренебрегают квантовыми эффектами и не учитывают вращение, Оппенгеймер попросил Снайдера помочь. И это окупилось, когда последний исследователь обнаружил, что происходящее с коллапсирующей звездой зависит от точки зрения наблюдателя.
Снайдер предположил, что на некотором расстоянии от коллапсирующей звезды длина волны света от источника, близкого к горизонту событий, будет растягиваться под действием гравитации, процесс, называемый красным смещением, при этом свет становится все более красным.
В то же время частота этого света уменьшается с точки зрения наблюдателя. Это уменьшение частоты продолжается до тех пор, пока для удаленного наблюдателя свет не станет фактически "замороженным".
Оппенгеймер и его сотрудники поняли, что история совсем другая для наблюдателя, которому не посчастливилось падать с поверхностью коллапсирующей звезды. Наблюдатель в таком положении упадет за горизонт событий, не заметив в нем ничего существенного.
Конечно, в действительности наблюдатель был бы растянут интенсивными приливными силами, вызванными разницей в гравитационном притяжении его верхней и нижней частей тела. Это убьет их до того, как он достигнет горизонта событий.
Первоначально эту концепцию называли "замороженной звездой" из-за очевидного "замораживания" света на горизонте событий. Она не получала своего более знакомого и остроумного имени до 1967 года, когда физик из Принстонского университета Джон Уилер во время лекции ввел термин "черная дыра".
Оппенгеймер и его коллеги, возможно, пошли другим путем, чем Шварцшильд, но тем не менее обе группы физиков пришли к одной и той же цели: к концепции звездного тела настолько массивного, что его гравитация захватывает свет. У Шварцшильда была теория, но Оппенгеймер и его коллеги были первыми учеными, которые действительно поняли физическое рождение черной дыры.
Три года спустя Оппенгеймер поедет в Лос-Аламос, закрепив за собой место в истории. Но многие, особенно ученые, помнят его как отца черных дыр.
Оппенгеймер внес очень значительный вклад в физику черных дыр и физику в целом, хотя широкая публика может ассоциировать его имя с бомбой и Манхэттенским проектом, его вклад в физику и астрофизику высоко ценится научным сообществом. Он был одним из ведущих физиков при жизни и имел огромное влияние, и его фундаментальная работа актуальна и сегодня.
Рождение Манхэттенского проекта
После вторжения нацистской Германии в Польшу в 1939 году физики Альберт Эйнштейн, Лео Силард и Юджин Вигнер предупредили правительство США, что нацисты могут первыми разработать ядерную бомбу с потенциально катастрофическими последствиями для человечества.
В августе 1942 года перед армией США была поставлена задача организовать усилия британских и американских физиков в попытке разработать ядерную бомбу раньше нацистов. В рамках этого проекта, получившего название «Манхэттенский проект», Оппенгеймеру было поручено создать лабораторию и управлять ею.
Но Оппенгеймер был не просто "отцом атомной бомбы". Поначалу люди были удивлены, когда Оппенгеймер был выбран ключевой фигурой в Манхеттенском проекте — он был известен своими левыми политическими взглядами и не был известен как руководитель крупных проектов.
Он также был преданным студентом гуманитарных наук и проявлял большой интерес к философии и изучению языков.
В сентябре 1942 года генерал-лейтенант Лесли Ричард Гровс был назначен директором Манхэттенского проекта. Гровс назначил Оппенгеймера главой секретной оружейной лаборатории Манхэттенского проекта (1943 - 1945 гг.), где в его обязанности входила разработка и взрыв первой в мире ядерной бомбы.
Несмотря на то, что Оппенгеймер не руководил никакими крупными проектами, Гровс был впечатлен широтой его знаний в различных областях, которые были жизненно важны для такого сложного проекта. Он также видел в Оппенгеймере "высокомерное честолюбие", которое, как он полагал, даст ему стремление успешно завершить проект, опередив нацистов.
В 1943 году Оппенгеймер выбрал плато Лос-Аламос, недалеко от Санта-Фе (штат Нью-Мексико), в качестве места для проведения ядерного испытания "Тринити" — первого в истории взрыва ядерной бомбы. Для проекта Оппенгеймер собрал группу лучших физиков того времени, назвав их "светилами".
16 июля они произвели первый в истории взрыв ядерного оружия под названием "Штучка" для испытания "Тринити". Менее чем через месяц союзные войска сбросили ядерное оружие на Хиросиму и Нагасаки в Японии.
Вспоминая ядерное испытание "Тринити" и последовавшие за ним ядерные атаки на Хиросиму и Нагасаки в 1945 году, Оппенгеймер позже процитировал знаменитую строку из индуистского священного писания, Бхагавад-Гиты: "Теперь я стал Смертью, разрушителем миров".
